兩種780 MPa級熱鍍鋅雙相鋼的低周疲勞斷裂行為

劉華賽 李春光 白雪 韓赟 宋竹滿 滕華湘

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100043；3.中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心，沈陽110016）

1 前言

目前汽車輕量化的需求促使高強(qiáng)鋼在白車身上的應(yīng)用越來越廣泛，從高強(qiáng)鋼的使用情況看，780 MPa級別的高強(qiáng)鋼應(yīng)用較多[1-3]。對于某些復(fù)雜零件來說，其成形過程較為困難，易于發(fā)生沖壓開裂，因此科研人員在傳統(tǒng)雙相鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種具有成形增強(qiáng)的新型雙相鋼[4]。這種雙相鋼在其組織中除了鐵素體和馬氏體之外還含有一定量的殘余奧氏體，使之在變形過程中發(fā)生TRIP效應(yīng)，使雙相鋼獲得較高的均勻變形能力。高強(qiáng)鋼一般常用作汽車白車身的結(jié)構(gòu)件，因此其疲勞性能是整車疲勞耐久設(shè)計(jì)所必須要考慮的重要因素，由于成形增強(qiáng)雙相鋼組織中具有一定量的殘余奧氏體，因此殘余奧氏體對材料疲勞性能的影響也需要一并考慮[3]。

本研究以兩種780 MPa級熱鍍鋅雙相鋼為研究對象，其中之一為常規(guī)雙相鋼，另外一種為成形增強(qiáng)的新型雙相鋼，通過對兩種材料施加應(yīng)變控制的循環(huán)載荷，對它們的循環(huán)變形和疲勞壽命進(jìn)行了研究，繪制了兩種材料的疲勞應(yīng)變-循環(huán)壽命（e-N）曲線，并對兩種材料的失效行為進(jìn)行了分析，上述研究結(jié)果可以為主機(jī)廠白車身結(jié)構(gòu)件的選材和疲勞耐久分析提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本研究所選用材料為1.5 mm厚的DP780+Z熱鍍鋅雙相鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)用疲勞試樣尺寸如圖1所示。

表1 兩種DP780+Z的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 應(yīng)變疲勞試樣尺寸（mm）

在疲勞測試中，試驗(yàn)機(jī)的頻率設(shè)定為2 Hz，應(yīng)變比R=-1，三角波控制。按照GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》，GB/T 26077—2010《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向應(yīng)變控制方法》進(jìn)行試驗(yàn)，得到的e-N曲線圖在循環(huán)次數(shù)上最少應(yīng)覆蓋3個(gè)數(shù)量級。

采用S3400N型掃描電鏡對兩種熱鍍鋅DP780+Z的疲勞斷裂行為進(jìn)行分析，加速電壓為15 kV。

3 結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能

對兩種DP780+Z的力學(xué)性能進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示，拉伸曲如圖2所示。可以看出，兩種DP780+Z的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度差別不大，但是延伸率差異明顯，其中DP780+Z-A的延伸率只有18.5%，而DP780+Z-B的延伸率達(dá)到了22.5%。除了延伸率之外，兩者的n值差別也比較大，DP780+Z-A的n值為0.11，而DP780+Z-B的n值達(dá)到 了0.16。

表2 兩種連續(xù)熱鍍鋅DP780+Z力學(xué)性能

圖2 兩種DP780+Z的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 微觀組織

對兩種DP780+Z金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鰞煞N材料的組織上存在一定的差異，從整體上看，兩種組織均為鐵素體（深色）+馬氏體（淺色）組織，但是對于馬氏體的尺寸和分布來說，兩者存在明顯的差異。對于DP780+Z-A的來說，其中的馬氏體尺寸較小，分布比較彌散，其比例約有15.8%，如圖3a所示；對于DP780+Z-B來說，其馬氏體呈現(xiàn)出連續(xù)的塊狀形貌，比例約有13.5%，如圖3(b)所示。除了鐵素體和馬氏體之外，DP780+Z-B在材料設(shè)計(jì)時(shí)考慮到其需要具有較高的變形能力，因此其組織中還引入了5%左右的殘余奧氏體，如圖4所示。

圖3 金相組織

圖4 EBSD觀察DP780+Z-B組織中殘余奧氏體分布

3.3 低周疲勞性能

對于總應(yīng)變幅控制的低周疲勞試驗(yàn)，根據(jù)Cof-fin-Manson方程，總應(yīng)變幅(Δεe/2)是由塑性應(yīng)變幅(Δεp/2)和彈性應(yīng)變幅(Δεe/2)兩部分構(gòu)成，即有：

而(Δεp/2)和(Δεe/2)與疲勞壽命Nf之間的關(guān)系為：

利用線性回歸分析方法即可對應(yīng)變-壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定低周疲勞加載條件下的應(yīng)變疲勞參數(shù)即疲勞延性系數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞延性指數(shù)c、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b的具體數(shù)值。

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系可用下述指數(shù)定律表示：

式中，Δσ/2為循環(huán)應(yīng)力幅；Δεp/2為塑性應(yīng)變幅；K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。利用線性回歸的方法就可以確定低周疲勞加載條件下的應(yīng)變疲勞參數(shù)K′和n′的數(shù)值。

對兩種材料進(jìn)行應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制彈性應(yīng)變幅與壽命曲線、塑性應(yīng)變幅與壽命曲線、應(yīng)力幅與塑性應(yīng)變幅曲線，通過對曲線擬合得到兩種材料的、n′，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種DP780+Z低周疲勞性能參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)變幅-壽命曲線如圖5所示?？梢钥闯?，在相同的應(yīng)變幅的情況下，DP780+Z-B具有比DP780+Z-A更高的循環(huán)周次。

圖5 應(yīng)變幅-疲勞壽命曲線

3.4 失效情況分析

對兩種材料的斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖6所示?？梢钥闯鰞煞N熱鍍鋅雙相鋼DP780+Z的疲勞裂紋萌生位置均位于樣品側(cè)面，而且疲勞斷口都由裂紋區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)3個(gè)區(qū)域依次組成。對于薄板試樣，樣品橫截面棱角處的一些缺陷更容易使這些位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而疲勞裂紋更易于在這些位置萌生。研究表明[3]，對于相變誘導(dǎo)塑性鋼來說，含有更多含量殘余奧氏體的組織具有更高的抗裂紋萌生和抗裂紋擴(kuò)展的能力。從本研究兩種材料宏觀斷口3個(gè)區(qū)域所占面積看，DP780+Z-A的裂紋萌生擴(kuò)展區(qū)比DP780+ZB的相應(yīng)區(qū)域所占面積要大，這說明DP780+Z-B中所含有的殘余奧氏體在循環(huán)加載過程中發(fā)生的馬氏體相變對疲勞壽裂紋的萌生和擴(kuò)展起到了一定延遲作用，導(dǎo)致其最終疲勞壽命的提高。

圖6 疲勞斷口形貌

4 結(jié)論

a.對兩種熱鍍鋅DP780+Z的e-N曲線進(jìn)行了測定，給出了應(yīng)變比為-1時(shí)，兩種材料的應(yīng)變硬化系數(shù)、循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)度指數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞延性指數(shù)和疲勞延性系數(shù)。

b.當(dāng)DP780+Z中含有5%左右的殘余奧氏體時(shí)，其疲勞壽命要高于不含殘余奧氏體的DP780+Z，該結(jié)果可以作為選材依據(jù)。

c.兩種DP780+Z的疲勞斷口均表現(xiàn)出裂紋萌生、擴(kuò)展、瞬斷三階段，但是DP780+Z-A的裂紋萌生和擴(kuò)展區(qū)比DP780+Z-B的相應(yīng)區(qū)域所占面積要大，說明殘余奧氏體對裂紋萌生擴(kuò)展起了重要影響。